La ósmosis, que es el movimiento del agua a través de una membrana semipermeable debido a diferencias en la presión osmótica, desempeña un papel importante en la vida de muchas células. Las membranas plasmáticas son más permeables al agua que a la mayoría de las otras moléculas pequeñas, iones y macromoléculas, debido a la presencia de canales proteicos llamados acuaporinas que permiten selectivamente el paso del agua. Las soluciones con igual osmolaridad que el citosol de una célula se consideran isotónicas con respecto a esa célula. Cuando una célula está rodeada por una solución isotónica, no gana ni pierde agua.
En soluciones hipertónicas (con mayor osmolaridad que el citosol), la célula se contrae a medida que el agua se mueve hacia afuera. En soluciones hipotónicas (con menor osmolaridad que el citosol), la célula se hincha a medida que el agua entra. En sus entornos naturales, las células suelen contener una mayor concentración de biomoléculas e iones que sus alrededores, por lo que la presión osmótica tiende a hacer que el agua ingrese a las células. Si no se contrarresta de alguna manera, esta entrada de agua puede distender la membrana plasmática y eventualmente provocar la lisis celular (osmolisis).
Existen diversos mecanismos involucrados en la prevención de esta catástrofe. En bacterias y plantas, la membrana plasmática está rodeada por una pared celular no expansible que posee rigidez y resistencia suficientes para resistir la presión osmótica y prevenir la osmolisis. Algunos protistas de agua dulce que viven en medios altamente hipotónicos tienen una organela llamada vacuola contráctil que bombea agua fuera de la célula. En animales multicelulares, el plasma sanguíneo y los fluidos intersticiales (el líquido extracelular de los tejidos) se mantienen en una osmolaridad similar a la del citosol. La alta concentración de albúmina y otras proteínas en el plasma sanguíneo contribuye a su osmolaridad. Las células también bombean activamente iones como el Na+ hacia el fluido intersticial para mantener el equilibrio osmótico con el entorno circundante.
Dado que el efecto de los solutos en la osmolaridad depende del número de partículas disueltas y no de su masa, las macromoléculas (proteínas, ácidos nucleicos, polisacáridos) tienen un efecto mucho menor en la osmolaridad de una solución que una masa equivalente de sus componentes monoméricos. Por ejemplo, un gramo de un polisacárido compuesto por 1000 unidades de glucosa tiene el mismo efecto en la osmolaridad que un miligramo de glucosa. El almacenamiento de energía en forma de polisacáridos (almidón o glucógeno) en lugar de glucosa u otros azúcares simples evita un gran aumento en la presión osmótica en las células de almacenamiento.
Las plantas utilizan la presión osmótica para lograr rigidez mecánica. La alta concentración de solutos en los vacuolas de las células vegetales atrae agua hacia el interior de las células, pero la pared celular no es expansible y evita la hinchazón; en su lugar, ejerce presión contra la pared celular (presión de turgencia), lo que hace que la célula, el tejido y el cuerpo de la planta se endurezcan. La lechuga de tu ensalada se marchita debido a la pérdida de agua que reduce la presión de turgencia. La osmolisis también tiene implicaciones en los protocolos de laboratorio. Por ejemplo, las mitocondrias, los cloroplastos y los lisosomas están recubiertos por membranas semipermeables. Al aislar estas organelas a partir de células rotas, los bioquímicos deben realizar los fraccionamientos en soluciones isotónicas (ver Figura 1-8) para evitar una entrada excesiva de agua en las organelas, lo que podría provocar la hinchazón y, en última instancia, la rotura. Los tampones utilizados en el fraccionamiento generalmente contienen concentraciones adecuadas de sacarosa u otros solutos inertes para proteger las organelas de la osmolisis.